Широкозонный полупроводник
В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Полупроводники с широкой запрещенной зоной (также известные как полупроводники WBG или WBGS ) представляют собой полупроводниковые материалы , которые имеют большую запрещенную зону, чем обычные полупроводники. Обычные полупроводники, такие как кремний, имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне 0,6–1,5 электронвольта (эВ), тогда как широкозонные материалы имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне выше 2 эВ. [1] [2] Как правило, полупроводники с широкой запрещенной зоной имеют электронные свойства, которые находятся между свойствами обычных полупроводников и изоляторов .
Полупроводники с широкой запрещенной зоной позволяют устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний и арсенид галлия . Они являются ключевым компонентом, используемым для изготовления коротковолновых (зеленых УФ) светодиодов или лазеров , а также используются в некоторых радиочастотных приложениях, особенно в военных радарах . Их внутренние качества делают их пригодными для широкого спектра других применений, и они являются одними из ведущих претендентов на создание устройств следующего поколения для общего полупроводникового применения.
Более широкая запрещенная зона особенно важна для того, чтобы устройства, использующие их, могли работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 °C. Это делает их очень привлекательными для военного применения, где они нашли широкое применение. Устойчивость к высоким температурам также означает, что эти устройства могут работать при гораздо более высоких уровнях мощности в нормальных условиях. Кроме того, большинство широкозонных материалов также имеют гораздо более высокую критическую плотность электрического поля, примерно в десять раз превышающую плотность обычных полупроводников. В совокупности эти свойства позволяют им работать при гораздо более высоких напряжениях и токах, что делает их очень ценными в военных, радиотехнических приложениях и приложениях преобразования энергии . Министерство энергетики США полагает, что они станут основополагающей технологией в новых электрических сетях и устройствах альтернативной энергетики , а также в качестве надежных и эффективных силовых компонентов, используемых в мощных транспортных средствах, от подключаемых к сети электромобилей до электропоездов . [3] Большинство широкозонных материалов также имеют высокие скорости свободных электронов, что позволяет им работать с более высокими скоростями переключения, что повышает их ценность в радиоприложениях. Одно устройство WBG можно использовать для создания полноценной радиосистемы, устраняя необходимость в отдельных сигнальных и радиочастотных компонентах, работая при этом на более высоких частотах и уровнях мощности.
Исследования и разработки широкозонных материалов отстают от исследований и разработок обычных полупроводников, в которые с 1970-х годов вкладывают огромные средства. Однако их очевидные преимущества во многих приложениях в сочетании с некоторыми уникальными свойствами, отсутствующими у обычных полупроводников, привели к увеличению интереса к их использованию в повседневных электронных устройствах вместо кремния. Их способность справляться с более высокой плотностью мощности особенно привлекательна для попыток поддержать закон Мура – наблюдаемый устойчивый темп увеличения плотности транзисторов в интегральных схемах, который на протяжении десятилетий удваивается примерно каждые два года. Однако традиционные технологии, похоже, достигают плато плотности транзисторов. [4]
Использование в устройствах
[ редактировать ]Материалы с широкой запрещенной зоной имеют несколько характеристик, которые делают их полезными по сравнению с материалами с более узкой запрещенной зоной. Более высокий энергетический зазор дает устройствам возможность работать при более высоких температурах. [5] поскольку ширина запрещенной зоны обычно уменьшается с увеличением температуры, что может быть проблематичным при использовании обычных полупроводников. В некоторых приложениях материалы с широкой запрещенной зоной позволяют устройствам коммутировать более высокие напряжения. Широкая запрещенная зона также приводит энергию электронного перехода в диапазон энергии видимого света, и, следовательно, светоизлучающие устройства, такие как светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры могут быть созданы , которые излучают в видимом спектре или даже производят ультрафиолетовое излучение.
Твердотельное освещение с использованием полупроводников с широкой запрещенной зоной потенциально может снизить количество энергии, необходимой для обеспечения освещения, по сравнению с лампами накаливания , светоотдача которых составляет менее 20 люмен на ватт. Эффективность светодиодов составляет порядка 160 люмен на ватт.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной также можно использовать при обработке радиочастотных сигналов . Силовые транзисторы на основе кремния достигают пределов рабочей частоты, напряжения пробоя и плотности мощности . Материалы с широкой запрещенной зоной можно использовать в высокотемпературных приложениях и устройствах переключения мощности.
Материалы
[ редактировать ]Единственными широкозонными материалами в группе IV являются алмаз и карбид кремния (SiC).
Существует множество соединений полупроводников III–V и II–VI с широкой запрещенной зоной. В семействе полупроводников III-V нитрид алюминия (AlN) используется для изготовления ультрафиолетовых светодиодов с длиной волны до 200–250 нм , нитрид галлия (GaN) используется для изготовления синих светодиодов и лазерных диодов , а нитрид бора (BN) предложено использовать синие светодиоды.
Таблица распространенных широкозонных полупроводников
[ редактировать ]Группа | Элемент. | Материал | Формула | Запрещенная зона ( эВ ) | Тип зазора | Описание |
---|---|---|---|---|---|---|
IV | 1 | Алмаз | С | 5.47 [6] [7] | косвенный | Отличная теплопроводность. Превосходные механические и оптические свойства. |
IV | 2 | Карбид кремния | Карбид кремния | 2.3-3.3 [6] | косвенный | Ширина запрещенной зоны варьируется в зависимости от кристаллической структуры: 3C-SiC , 4H-SiC или 6H-SiC . Используется для высоковольтных и высокотемпературных применений, а также для ранних желтых и синих светодиодов. |
III-V | 2 | Нитрид бора | БН | 5.96-6.36 [8] | косвенный | Указанные запрещенные зоны относятся к кубической или гексагональной кристаллической структуре соответственно. Потенциально полезно для ультрафиолетовых светодиодов. |
III-V | 2 | Фосфид алюминия | АлП | 2.45 [7] | косвенный | |
III-V | 2 | Арсенид алюминия | Увы | 2.16 [7] | косвенный | |
III-V | 2 | Нитрид галлия | ГаН | 3.44 [6] [7] | прямой | p-легирование Mg и отжиг позволили создать первые высокоэффективные синие светодиоды. [9] и синие лазеры . Транзисторы GaN могут работать при более высоких напряжениях и температурах, чем GaAs, используемый в усилителях мощности СВЧ. При легировании, например, марганцем, становится магнитным полупроводником . |
III-V | 2 | Фосфид галлия | Зазор | 2.26 [6] [7] | косвенный | Используется в первых дешевых красных, оранжевых и зеленых светодиодах низкой и средней яркости. Используется автономно или с GaAsP. Прозрачный для желтого и красного света, используется в качестве подложки для красных/желтых светодиодов GaAsP. Легированный S или Te для n-типа, Zn для p-типа. Чистый GaP излучает зеленый цвет, GaP, легированный азотом, излучает желто-зеленый, GaP, легированный ZnO, излучает красный цвет. |
II-VI | 2 | Сульфид кадмия | CDS | 2.42 [7] | прямой | Используется в фоторезисторах и солнечных элементах; CdS/Cu 2 S был первым эффективным солнечным элементом. Используется в солнечных элементах с CdTe. Обычное явление, как квантовые точки . Кристаллы могут действовать как твердотельные лазеры. Электролюминесцентный. При легировании может действовать как люминофор . |
II-VI, оксид | 2 | Оксид цинка | ZnO | 3.37 [7] | прямой | Фотокаталитический. Ширина запрещенной зоны регулируется от 3 до 4 эВ путем легирования оксидом магния и оксидом кадмия . Собственное легирование n-типа и p-типа затруднено. Сильное легирование алюминием, индием или галлием дает прозрачные проводящие покрытия; ZnO:Al используется в качестве оконных покрытий, прозрачных в видимом диапазоне и отражающих в инфракрасном диапазоне, а также в качестве проводящих пленок в ЖК-дисплеях и солнечных панелях в качестве замены оксида индия и олова . Устойчив к радиационному повреждению. Возможно использование в светодиодах и лазерных диодах. Возможно использование в случайных лазерах . |
II-VI | 2 | Селенид цинка | ZnSe | 2.7 [7] | прямой | Используется для синих лазеров и светодиодов. Легко легировать n-тип, легирование p-типа затруднено, но его можно осуществить, например, азотом. Распространенный оптический материал в инфракрасной оптике. |
II-VI | 2 | Сульфид цинка | ZnS | 3.54/3.91 [7] | прямой | Запрещенная зона 3,54 эВ (кубическая), 3,91 (гексагональная). Могут быть легированы как n-типа, так и p-типа. Обычный сцинтиллятор/люминофор при соответствующем легировании. |
II-VI | 2 | Теллурид цинка | ZnTe | 2.3 [7] | прямой | Можно выращивать на AlSb, GaSb, InAs и PbSe. Используется в солнечных элементах, компонентах микроволновых генераторов, синих светодиодах и лазерах. Используется в электрооптике. Вместе с ниобатом лития используется для генерации терагерцового излучения . |
Окись | 2 | Оксид меди(I) | Си 2 О | 2.17 [10] | Один из наиболее изученных полупроводников. Многие приложения и эффекты впервые были продемонстрированы с его помощью. Раньше использовался в выпрямительных диодах, до кремния. | |
Окись | 2 | Диоксид олова | SnO 2 | 3.7 | Полупроводник n-типа с дефицитом кислорода. Используется в датчиках газа и в качестве прозрачного проводника. | |
Многослойный | 2 | Селенид галлия | GaSe | 2.1 | косвенный | Фотопроводник. Используется в нелинейной оптике. Используется как 2D-материал. Чувствителен к воздуху. [11] [12] [13] |
Свойства материалов
[ редактировать ]запрещенная зона
[ редактировать ]Квантовая механика порождает ряд отдельных энергетических уровней электронов или зон , которые варьируются от материала к материалу. Каждая зона может содержать определенное количество электронов; если в атоме больше электронов, они переходят в более высокие энергетические зоны. При наличии внешней энергии некоторые электроны наберут энергию и двинутся обратно вверх по энергетическим зонам, прежде чем высвободить ее и упасть обратно в более низкую зону. При постоянном приложении внешней энергии, такой как тепловая энергия, присутствующая при комнатной температуре , достигается равновесие, при котором популяция электронов, движущихся вверх и вниз по зонам, одинакова.
В зависимости от распределения энергетических зон и «запрещенной зоны» между ними материалы будут иметь очень разные электрические свойства. Например, при комнатной температуре большинство металлов имеют ряд частично заполненных зон, которые позволяют электронам присоединяться или удаляться с небольшими затратами энергии. Когда электроны плотно упакованы вместе, они могут легко перемещаться от атома к атому, что делает их отличными проводниками . Для сравнения, большинство пластиковых материалов имеют широко разнесенные энергетические уровни, которым требуется значительная энергия для перемещения электронов между атомами, что делает их естественными изоляторами . Полупроводники — это материалы, которые имеют оба типа зон, и при нормальных рабочих температурах некоторые электроны находятся в обеих зонах.
В полупроводниках добавление небольшого количества энергии толкает больше электронов в зону проводимости , делая их более проводящими и позволяя току течь как проводник. Изменение полярности этой приложенной энергии толкает электроны в более широко разделенные зоны, делая их изоляторами и останавливая поток. Поскольку количество энергии, необходимое для перемещения электронов между этими двумя уровнями, очень мало, полупроводники позволяют переключаться с очень небольшим затратом энергии. Однако этот процесс переключения зависит от естественного распределения электронов между двумя состояниями, поэтому небольшие входные данные приводят к быстрому изменению статистики населения. По мере изменения внешней температуры из-за распределения Максвелла-Больцмана все больше и больше электронов обычно оказываются в том или ином состоянии, в результате чего действие переключения происходит само по себе или полностью прекращается.
Размер атомов и количество протонов в атоме являются основными предикторами силы и расположения запрещенных зон. Материалы с маленькими атомами и прочными атомными связями имеют широкую запрещенную зону. Что касается соединений III-V, то с наибольшей шириной запрещенной зоны связаны нитриды. Запрещенные зоны можно создать путем легирования , а закон Вегарда гласит, что существует линейная зависимость между постоянной решетки и составом твердого раствора при постоянной температуре. Положение минимумов зоны проводимости по сравнению с максимумами в зонной структуре определяет, является ли запрещенная зона прямой или непрямой , при этом материалы с прямой запрещенной зоной сильно поглощают свет, а непрямые запрещенные зоны поглощают менее сильно. Аналогичным образом, материалы с прямой запрещенной зоной сильно излучают свет, тогда как полупроводники с непрямой запрещенной зоной являются плохими излучателями света, если только не легирующие примеси добавлены , которые сильно взаимодействуют со светом.
Оптические свойства
[ редактировать ]Связь между длиной волны и шириной запрещенной зоны заключается в том, что энергия запрещенной зоны — это минимальная энергия, которая необходима для возбуждения электрона в зону проводимости . Чтобы фотон без посторонней помощи мог вызвать такое возбуждение, он должен иметь по крайней мере столько же энергии. В противоположном процессе, когда возбужденные электронно-дырочные пары подвергаются рекомбинации , генерируются фотоны с энергиями, соответствующими величине запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны определяет длину волны, на которой светодиоды излучают свет, и длину волны, на которой фотоэлектрические элементы работают наиболее эффективно. Таким образом, широкозонные устройства полезны на более коротких длинах волн, чем другие полупроводниковые устройства. Например, ширина запрещенной зоны GaAs, равная 1,4 эВ, соответствует длине волны примерно 890 нм, что соответствует инфракрасному свету (эквивалентную длину волны для энергии света можно определить, разделив константу 1240 нм-эВ на энергию в эВ, т. е. 1240 нм-эВ/1,4 эВ=886 нм). Поскольку наибольшая эффективность достигается при использовании фотоэлектрического элемента со слоями, настроенными на различные области солнечного спектра, современные многопереходные солнечные элементы имеют несколько слоев с разной запрещенной зоной, а полупроводники с широкой запрещенной зоной являются ключевым компонентом для сбора части солнечного спектра. спектр за пределами инфракрасного. [14]
Использование светодиодов в осветительных устройствах особенно зависит от разработки широкозонных нитридных полупроводников.
Поле разбивки
[ редактировать ]Ударная ионизация часто считается причиной поломки. В момент пробоя электроны в полупроводнике обладают достаточной кинетической энергией для образования носителей при столкновении с атомами решетки.
Полупроводники с широкой запрещенной зоной связаны с высоким напряжением пробоя. Это связано с тем, что для генерации носителей заряда за счет удара требуется большее электрическое поле.
В сильных электрических полях скорость дрейфа насыщается за счет рассеяния на оптических фононах . Более высокая энергия оптических фононов приводит к меньшему количеству оптических фононов при определенной температуре и, следовательно, меньше центров рассеяния , а электроны в широкозонных полупроводниках могут достигать высоких пиковых скоростей.
Скорость дрейфа достигает максимума в промежуточном электрическом поле и немного снижается в более сильных полях. Междолинное рассеяние является дополнительным механизмом рассеяния в больших электрических полях и обусловлено смещением носителей из нижней долины зоны проводимости в верхние долины, где кривизна нижней зоны увеличивает эффективную массу электронов и снижает подвижность электронов. . Падение скорости дрейфа в сильных электрических полях из-за междолинного рассеяния невелико по сравнению с высокой скоростью насыщения , возникающей в результате низкого рассеяния оптических фононов. Таким образом, общая скорость насыщения выше.
Термические свойства
[ редактировать ]Кремний и другие распространенные материалы имеют ширину запрещенной зоны порядка 1–1,5 электронвольта (эВ), что означает, что такими полупроводниковыми устройствами можно управлять с помощью относительно низких напряжений. Однако это также означает, что они легче активируются тепловой энергией, что мешает их правильной работе. Это ограничивает устройства на основе кремния рабочими температурами ниже 100 °C, при превышении которых неконтролируемая термическая активация устройств затрудняет их правильную работу. Широкозонные материалы обычно имеют ширину запрещенной зоны порядка 2–4 эВ, что позволяет им работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 °C. Это делает их очень привлекательными для военного применения, где они широко используются.
Температуру плавления, коэффициенты теплового расширения и теплопроводность можно считать вторичными свойствами, которые важны при обработке, и эти свойства связаны со связью в широкозонных материалах. Прочные связи приводят к более высоким температурам плавления и более низким коэффициентам теплового расширения. Высокая температура Дебая приводит к высокой теплопроводности. Благодаря таким теплотехническим свойствам тепло легко отводится.
Приложения
[ редактировать ]Мощные приложения
[ редактировать ]Высокое напряжение пробоя широкозонных полупроводников является полезным свойством в мощных приложениях, требующих больших электрических полей.
Устройства для большой мощности и высокой температуры [5] разработаны приложения. И нитрид галлия , и карбид кремния являются прочными материалами, хорошо подходящими для таких применений. Ожидается, что благодаря своей прочности и простоте производства полупроводники из карбида кремния будут широко использоваться, обеспечивая более простую и более эффективную зарядку гибридных и полностью электрических транспортных средств , уменьшая потери энергии, создавая более долговечные солнечной и ветровой энергии преобразователи энергии , а также устраняя громоздкие сетевые трансформаторы подстанций. [15] кубический нитрид бора . Также используется [ нужна ссылка ] Большинство из них предназначены для специального применения в космических программах и военных системах. Они не начали вытеснять кремний с лидирующего места на общем рынке силовых полупроводников.
Светодиоды
[ редактировать ]Белые светодиоды во многих ситуациях заменили лампы накаливания из-за их большей яркости и более длительного срока службы. В DVD-проигрывателях следующего поколения ( форматы Blu-ray и HD DVD на основе GaN ) используются фиолетовые лазеры .
Датчики
[ редактировать ]Большие пьезоэлектрические эффекты позволяют использовать широкозонные материалы в качестве преобразователей .
Транзистор с высокой подвижностью электронов
[ редактировать ]Очень высокоскоростной GaN использует явление высокой плотности интерфейсного заряда.
Из-за своей стоимости нитрид алюминия до сих пор используется в основном в военных целях.
Важные широкозонные полупроводники
[ редактировать ]- Нитрид алюминия
- Нитрид бора , h-BN и c-BN могут образовывать УФ-светодиоды.
- Алмаз
- Нитрид галлия
- Карбид кремния
- Диоксид кремния
См. также
[ редактировать ]- Запрещенная зона
- Прямые и косвенные запрещенные зоны
- Полупроводники (материалы)
- Полупроводниковый прибор
- Список полупроводниковых материалов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ёсикава, А. (2007). «Разработка и применение широкозонных полупроводников». В Ёсикаве, А.; Мацунами, Х.; Наниши, Ю. (ред.). Широкозонные полупроводники . Спрингер. п. 2. ISBN 978-3-540-47235-3 .
- ^ Шен, Шых-Чан. «Исследование и разработка широкозонных устройств в SRL» . Технологического института Джорджии Лаборатория исследования полупроводников . Проверено 3 сентября 2014 г.
- ^ «Полупроводники с широкой запрещенной зоной: реализация обещаний (DOE/EE-0910)» (PDF) . Офис передового производства Министерства энергетики США . Апрель 2013 года . Проверено 3 сентября 2014 г.
- ^ Галлахер, Шон (9 июня 2016 г.). «Отсрочка для закона Мура: чип milspec пишет следующую главу вычислений» . Арс Техника .
- ^ Перейти обратно: а б Киршман, Рэндалл, изд. (1999), Высокотемпературная электроника , Нью-Йорк: IEEE Press, ISBN 0-7803-3477-9
- ^ Перейти обратно: а б с д «Архив NSM - Физические свойства полупроводников» . ioffe.ru . Архивировано из оригинала 28 сентября 2015 года . Проверено 10 июля 2010 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Сафа О. Касап; Питер Кэппер (2006). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам . Спрингер. стр. 54, 327. ISBN. 978-0-387-26059-4 .
- ^ Эванс, Д.А.; МакГлинн, AG; Таулсон, Б.М.; Ганн, М; Джонс, Д; Дженкинс, Т.Э.; Зима, Р; Пултон, NRJ (2008). «Определение энергии запрещенной оптической зоны кубического и гексагонального нитрида бора с помощью спектроскопии возбуждения люминесценции» (PDF) . Физический журнал: конденсированное вещество . 20 (7): 075233. Бибкод : 2008JPCM...20g5233E . дои : 10.1088/0953-8984/20/7/075233 . HDL : 2160/612 . S2CID 52027854 .
- ^ Джон Дэйкин, Справочник Роберта Г.В. Брауна по оптоэлектронике, Том 1 , CRC Press, 2006 ISBN 0-7503-0646-7 стр. 57
- ^ О. Маделунг; У. Рёсслер; М. Шульц, ред. (1998). «Зонная структура оксида меди (Cu2O), энергии зон». Ландольт-Бёрнштейн – Конденсированные вещества группы III. Числовые данные и функциональные связи в науке и технике . Том. 41C: Элементы без тетраэдрической связи и бинарные соединения I. стр. 1–4. дои : 10.1007/10681727_62 . ISBN 978-3-540-64583-2 .
- ^ Арора, Химани; Эрбе, Артур (2021). «Последние достижения в области контактной, мобильности и герметизации InSe и GaSe» . Инфомат . 3 (6): 662–693. дои : 10.1002/inf2.12160 . ISSN 2567-3165 .
- ^ Арора, Химани; Юнг, Ёнхун; Венанци, Томмазо; Ватанабэ, Кендзи; Танигучи, Такаши; Хюбнер, Рене; Шнайдер, Харальд; Хельм, Манфред; Хоун, Джеймс С.; Эрбе, Артур (20 ноября 2019 г.). «Эффективная пассивация гексагональным нитридом бора малослойных InSe и GaSe для улучшения их электронных и оптических свойств» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (46): 43480–43487. дои : 10.1021/acsami.9b13442 . hdl : 11573/1555190 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 31651146 . S2CID 204884014 .
- ^ Арора, Химани (2020). «Перенос заряда в двумерных материалах и их электронные приложения» (PDF) . Докторская диссертация . Проверено 1 июля 2021 г.
- ^ Ахмед, Самир А. (1980). «Перспективы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии». В Манассе, Джамал Т. (ред.). Альтернативные источники энергии . Эльзевир. п. 365.
- ^ Озпинец, Бурак; Толберт, Леон (27 сентября 2011 г.), «Карбид кремния: меньше, быстрее, жестче» , IEEE Spectrum , doi : 10.1109/MSPEC.2011.6027247 , OSTI 1491298 , S2CID 21307005 , получено 3 сентября 2014 г.